MODELOS ATÓMICOS

A lo largo de la historia ha habido muchos científicos que han investigado los átomos, desde los griegos hasta los más recientes.

1-FILÓSOFOS

- El griego Thales de Mileto en el año 585 a.C. sugirió que todo elemento natural era agua ya que podía estar en 3 estados distintos (líquido, gas y sólido) dependiendo de la temperatura ambiente.

- Los sucesores de Thales, Epicurio de Samos y el romano Lucrecio Caro, sugirieron que toda sustancia estaba formada por los 4 elementos (el agua, el fuego, la tierra y el aire).

- A finales del siglo V a.C. los filósofos griegos Leupino y Demócrito sugirieron que la materia esta formada por pequeñas partículas indivisibles que denominaron átomos y señalaron que si bien eran inmutables las relaciones entre ellos cambian.

2-CIENTÍFICOS EUROPEOS DEL SIGLO XVII Y XVIII

Tras casi 2000 años desde la teoría de Leupino y Demócrito, el inglés Boyle en el siglo XVII usó el concepto del átomo en sus trabajos de química y Newton lo tuvo en mente al desarrollar sus descubrimientos en física. También el francés Antoine Lavoisier, tras sus investigaciones de combustión, identificó muchas sustancias puras que no podían separarse en otras mas sencillas, elementos.

Teoría Atómica Moderna

Las distintas teorías que han surgido desde Dalton, han llegado a una serie de postulados que se complementan entre sí, pero que poco a poco han ido evolucionado. La Teoría Atómica Moderna, es también conocida como Teoría Cuántica, la cual llega a ser desarrollada y completada de la siguiente manera. Las teorías de Bohr, así como los experimentos de Rutherford, además de Franks y Hertz, Goudsmit y Uhlenbeck, complementan a Planck, quien sea el primero en proponer una teoría cuántica. Mas adelante aparece Heisenberg, quien formula la mecánica de Matrices y la teoría de Incertidumbre; Broglie que crea la Mecánica Ondulatoria, además Schrödinger viene a comprobar que todas estas se unen en una sola, a la que se le llamó Mecánica Cuántica, que es la aplicación misma de la Teoría Cuántica. La Mecánica Cuántica la forman: Mecánica de matrices, Teoría de incertidumbre y Mecánica ondulatoria.

Resumen

[las fechas son para que se ubiquen sólo la de Dalton, Heisenberg y Shrodi,..importan ]

Dalton: (1808) Primero en proponer un modelo atómico.

Planck: (1900) Ideó y propuso la Teoría Cuántica, incompleta pero sobre la que se basó la TAM. Creando una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud que se generaban con los electrones.

Bohr: (1913)Mencionó al átomo como una esfera, y dijo que el lugar de los electrones era en unas orbitas circulares  (se equivocó). Y desarrollo una fórmula atómica, pero sólo servía para el Hidr...

Franik y Hertz: (1913) Confirmaron la existencia de órbitas estables y de niveles de energía fijas. (sólo es cierto lo del la cant. De energía)

Goudsmit y Uhlenbeck: (1925) Introdujeron la teoría del giro o “Spin”.

Heisenberg: (1926), Propone las orbitales y rechaza a Bohr por ser inaplicable. Crea la Mecánica de Matrices y la Teoría de Incertidumbre.

Broglie: (1924) Sugirió la Mecánica Ondulatoria.

Schrödinger: (1926), Dijo que la Mecánica de Matrices y la Mecánica Ondulatoria explicaban lo mismo desde distintos puntos de vista. Creó una ecuación como la de Bohr pero que desarrollaba los números cuánticos. A la que se le llamó Mecánica Cuántica, todo esto con las bases de Planck y Apoyado en la Teoría de Incertidumbre.

Max Born (1926) Le dio una Interpretación probabilística a la Mecánica Cuántica.

DATO EXTRA: fue hasta 1931 que Chadwick descubrió que el núcleo estaba formado de neutrones y protones, (se decía de protones pero no de ambos.)

Principio de Incertidumbre: Heisenberg, decía que es imposible conocer la posición exacta y la velocidad de una partícula al mismo tiempo. (electrón).

Mecánica Ondulatoria: Desarrollaron una ecuación de onda para describir las propiedades ondulatorias de un electrón. [se mencionan algunos puntos de el subtema de los prin componentes. De la mec ond.]

Mecánica de Matrices: Introdujo matrices infinitas para representar la posición y el momento lineal en el interior del átomo, también energía o momento angular.

Mecánica Cuántica: Surge prin. de las Tres anteriores y otros postulados. Viene a ser el conjunto de reglas y leyes que van a ayudar a determinar la posible región u orbital donde existe mayor posibilidad de encontrar a algún electrón. Más profundamente puede conocer bastantes cosas de un electrón (energía, angulación, pero es mas complejo).

Teoría Atómica Moderna ó Teoría Cuántica: Son las leyes que van a determinar la posible posición de un electrón, así como conocer los 4 números cuánticos de ellos, y las características de ellos y la forma en que va a estar estructurado el átomo.

BoHr

EFECTO FOTOELECTRICO

Heinrich Hertz, entre 1886 y 1887, realiza las experiencias que confirman la existencia de las ondas electromagnéticas y, por tanto, la "bondad" de la Teoría de Maxwell. En esos experimentos observa, además, que la descarga eléctrica entre dos electrodos se produce más fácilmente si sobre uno de ellos se hace incidir luz ultravioleta.

Lenard, en 1900, demuestra que el fenómeno observado por Hertz es debido a que la radiación ultravioleta arranca electrones de la superficie metálica del cátodo. A esta emisión de electrones se le conoce como Efecto Fotoeléctrico, y a los electrones arrancados como Fotoelectrones.

INTERPRETACION DE EINSTEIN DEL EFECTO FOTO ELECTRICO

La solución al problema la encontró Einstein en 1905. Su explicación consistía en suponer

que la luz que incide sobre el metal lo hace en forma de corpúsculos (fotones) de energía h·v. Cuando un fotón de energía h·v choca con un electrón del metal es totalmente absorbido y así el electrón recibe una energía h·v. Al intentar abandonar el metal, el electrón debe realizar un trabajo igual o superior a la energía que le liga al metal, de forma que el electrón emitido tendrá una energía cinética determinada por :

K=h·v-w

Esta es la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico. Se observa que si se aumenta la intensidad incidente sólo se consigue aumentar la cantidad de electrones emitidos, no su energía cinética, en cambio, si se aumenta la frecuencia incidente, la energía cinética aumenta, como se comprueba experimentalmente.

Básicamente Einstein adoptó la actitud de Planck pero fue más allá al postular que la propia radiación luminosa consiste de un chorro de fotones de energía h·v. Planck, en cambio, había sido muy cauto y sólo introdujo la discontinuidad de la energía en mecanismos de absorción o de emisión. Einstein recibiría el premio Nobel en 1929 por sus trabajos sobre el efecto fotoeléctrico.

Este éxito de la teoría corpuscular hizo necesario examinar si la teoría ondulatoria clásica era capaz de explicar el efecto fotoeléctrico. Todavía era posible suponer que la energía del campo electromagnético incidente se fuese acumulando en el electrón, que sólo sería emitido cuando hubiese alcanzado una energía de valor h·v. Experimentalmente se podía medir este intervalo de tiempo entre el inicio de la irradiación y la emisión del electrón. El experimento fue realizado por Meyer y Gerlach en 1914 y no encontraron ningún tiempo de retardo, que en las condiciones en las que trabajaban debía de ser del orden de varios segundos. Se deduce, por tanto, que la teoría clásica ondulatoria de la luz es incapaz de explicar el efecto fotoeléctrico.

Llegados a este punto cabe ya preguntarse, desde un punto de vista clásico, cual de los dos modelos, corpuscular u ondulatorio, es aplicable para la radiación electromagnética. Por la experiencia se sabe que hay multitud de fenómenos que confirman el carácter ondulatorio de la luz (interferencia, difracción etc.), pero los nuevos experimentos indican, que en ciertas circunstancias, sólo un modelo corpuscular es compatible con las evidencias experimentales.

Radiación Electromagnética

Es la forma en que la energía se transmite a través de campos eléctricos y magnéticos simultáneos.

Energias

Existen diferentes formas de energía. Y por su naturaleza tenemos energía Potencial y Cinética.

La potencial es la energía contenida en un cuerpo, por ejemplo: la energía humana, la del agua, del vapor, etc.

La energía cinética es la que posee un cuerpo debido a su movimiento o velocidad; por ejemplo: la energía del agua al caer de una cascada, la energía del aire en movimiento, etc.

Energía Umbral: Energía requerida para desatar una reacción nuclear o para hacer franquear a un corpúsculo una barrera de protección.

El modelo atómico de Sommerfeld es un modelo atómico hecho por el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) que básicamente es una generalización relativista del modelo atómico de Bohr (1913).

Insuficiencias del modelo de Bohr

El modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía, mostrando que algo andaba mal en el modelo. Su conclusión fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente diferentes para un nivel energético dado.

Además desde el punto de vista teórico, Sommerfeld había encontrado que en ciertos átomos las velocidades de los electrones alcanzaban una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Sommerfeld estudió la cuestión para electrones relativistas.

Características del modelo

Órbitas elípticas en el modelo de Sommerfeld.

En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de éste. Para eso introdujo dos modificaciones básicas: Órbitas casi-elípticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares. La excentricidad de la órbita dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal, que determina la forma de los orbitales, se lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1. Las órbitas con:

l = 0 se denominarían posteriormente orbitales s o sharp l = 1 se denominarían p o principal. l = 2 se denominarían d o diffuse. l = 3 se denominarían f o fundamental.

Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales, Sommerfeld postuló que el núcleo del átomo no permanece inmóvil, sino que tanto el núcleo como el electrón se mueven alrededor del centro de masas del sistema, que estará situado muy próximo al núcleo al tener este una masa varios miles de veces superior a la masa del electrón.

Para explicar el desdoblamiento de las líneas espectrales, observando al emplear espectroscopios de mejor calidad, Sommerfeld supone que las órbitas del electrón pueden ser circulares y elípticas. Introduce el número cuántico secundario o azimutal, en la actualidad

llamado l, que tiene los valores 0, 1, 2,…(n-1), e indica el momento angular del electrón en la

órbita en unidades de , determinando los subniveles de energía en cada nivel cuántico y la excentricidad de la órbita.

En 1916, Arnold Sommerfeld, con la ayuda de la relatividad de Albert Einstein, hizo las siguientes modificaciones al modelo de Bohr:

1. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas circulares o elípticas.2. A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo nivel.3. El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

En consecuencia el modelo atómico de Sommerfeld es una generalización del modelo atómico de Bohr desde el punto de vista relativista, aunque no pudo demostrar las formas de emisión de las órbitas elípticas, solo descartó su forma circular.

MODELO ACTUAL DEL ÁTOMO (Louis de Broglie) :

Al ser detectadas algunas inconsistencias en el modelo de Bohr, tales como cierta arbitrariedad en la regla de la cuantización, diferencias entre las longitudes de ondas calculadas y las observadas, cómo se producían las ondas electromagnéticas, etc..., se hizo palpable la necesidad de introducirle importantes y satisfactorias modificaciones originando un nuevo modelo, llamado la mecánica ondulatoria. El modelo actual del átomo fue propuesto por Erwin Schröedinger, pero resume la contribución de Broglie.

Louis de Broglie: Louis, Príncipe de Broglie, físico francés. Premio Nobel en 1929. Ha efectuado numerosos e importantes trabajos en electricidad y mecánica ondulatoria. Presidente de la comisión de Energía Atómica Francesa. Ha publicado bastantes obras, algunas en colaboración con su hermano Maurice(1875-1960), físico eminente.

Postulados de Broglie:

Diversos experimentos de óptica aplicada llevaron a la consideración de la luz como una onda.

De otra parte el efecto fotoeléctrico demostró la naturaleza corpuscular de la luz(fotones)

En 1924 De Broglie sugirió que el comportamiento dual de la onda-partícula dado a la luz, podría extenderse con un razonamiento similar, a la materia en general. Las partículas materiales muy pequeñas (electrones, protones, átomos y moléculas) bajo ciertas circunstancias pueden comportarse como ondas. En otras palabras, las ondas tienen propiedades materiales y las partículas propiedades ondulatorias (ondas de materia)

Según la concepción de Broglie, los electrones en su movimiento deben tener una cierta longitud de onda por consiguiente debe haber una relación entre las propiedades de los electrones en movimiento y las propiedades de los fotones.

La longitud de onda asociada a un fotón puede calcularse:

ð ð Longitud de onda en cm.

H= Constante de Planck= 6,625 x 10-27 ergios/seg

M= Masa

C= Velocidad de la Luz

Esta ecuación se puede aplicar a una partícula con masa(m) y velocidad (v), cuya longitud de onda (ðð sería:

Una de las más importantes aplicaciones del carácter ondulatorio de las partículas materiales es el microscopio electrónico, en el cual en vez de rayos de luz se emplea una corriente de electrones.

Modelo Atómico Matemático de Schrodinger y Heisenberg

Este modelo matemático no expresa claramente la posición de los electrones esta basado en los estudios de Mecánica Cuántica en la cual se plantea que los electrones se encuentran en determinadas regiones denominadas orbitales de tal manera que en esta región la probabilidad de localizar un electrón es máxima.Este modelo se basa en la dualidad de la materia que se comporta como onda y partícula y en el principio de incertidumbre de Heisenberg que nos dice que es imposible determinar la velocidad y la posición de un electrón al mismo tiempo en un instante determinado.

ConceptosAtomo: Unidad básica de toda materia.Los átomos están constituidos por tres principales partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones. La cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones, lo cual determina la neutralidad del átomo.La concepción moderna del átomo, es que es un sistema energético en equilibrio.

Un elemento : es una sustancia pura que no se puede descomponer en otra sustancia más sencilla utilizando métodos químicos.

Simbolo: son los distintos signos abreviados que se utilizan para identificar los elementos y compuestos químicos en lugar de sus nombres completos. Algunos elementos frecuentes y sus símbolos son: carbono, C; oxígeno, O….

Numero atomico : Nos indica el número de protones contenidos en el núcleo del átomo y determina a qué elemento pertenece un átomo; es decir, es único para cada elemento, ya que conociendo el Z se identifica el elemento.

Ion:Es todo átomo cargado eléctricamente, que se forma cuando un átomo gana o cede uno o más electrones. Los iones con carga eléctrica positiva se denominan cationes y los de carga eléctrica negativa, aniones.

Anión: Se forma cuando un átomo gana electrones quedando cargado negativamente. Ejemplo: 17Cl-

Catión: Se forma cuando un átomo pierde electrones quedando cargado positivamente. Ejemplo: 11Na+.

Isotopos: Se denominan isótopos (del griego: ἴσος, isos = mismo; τόπος, tópos = lugar) a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen cantidad diferente de neutrones, y por tanto, difieren en masa. La mayoría de los elementos químicos poseen más de un isótopo. Solamente 21 elementos (ejemplos: berilio, sodio) poseen un solo isótopo natural; en contraste, el estaño es el elemento con más isótopos estables.

Orbita : Una orbita es la trayectoria que sigue un electrón alrededor del núcleo de un átomo (según el modelo del átomo de hace ya relativamente un tiempo. Ahora por el contrario se sabe que los electrones no describen una orbita alrededor del nucleo atomico si no que estan a su alrededor.

Orbital : Un orbital, en química es un espacio determinado del átomo donde puedes encontrar a un electrón ó a los electrones. Popularmente se les dice "nubes electrónicas", ya que los electrones se mueven en varias direcciones y describen esta forma de "nube".

Frecuencia: es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. es el número de oscilaciones que presenta la onda por segundo, y es igual al inverso del período (1/T).

Longitud de onda: es la distancia entre dos maximos o minimos en una onda electromagnetica.

Amplitud : es la altura de la onda, medida desde el punto medio al pico. Estado excitado: Es cuando los electrones se empiezan a mover rápidamente por una

reacción química. Estado fundamental : es el del atomo que se encuentra con una minima energia. Configuración electronica: al referirnos a la configuración electrónica estamos

hablando de la descripción de la ubicación de los electrones en los distintos niveles de un determinado átomo. Configurar significa "ordenar" o "acomodar", y electrónico deriva de "electrón"; así, configuración electrónica es la manera ordenada de repartir los electrones en los niveles y subniveles de energía.

Serie isoelectronica : Una serie isoelectrica es aquella en la cual diferente tipo de iones ó elementos tienen el mismo numero de electrones.

Elementos: PARAMEGNETICOS: Cuando se colocan metales paramagnéticos en las proximidades

de un imán son atraídos con una fuerza muy pequeña, imperceptible a simple vista, ejemplo oro y cobre.

DIAMAGNÉTICOS: Son metales repelidos por el imán con fuerza imperceptible a simple vista. El mas conocido es el bismuto.